棒材生產(chǎn)線倍尺剪及冷床區(qū)控制方法

任樹朋

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司，山西 太原 030003）

0 引言

棒線混合生產(chǎn)線以220 mm×220 mm×3 500 mm的模鑄坯、連鑄坯為原料，能夠生產(chǎn)Φ5～Φ25 mm 的線材和Φ16～Φ120 mm 的棒材。其中，棒材生產(chǎn)線于2012 年投產(chǎn)，能夠滿足Φ16～Φ80 mm 直條和螺紋棒材的生產(chǎn)要求。倍尺剪和冷床區(qū)是棒材熱軋后續(xù)冷卻工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，倍尺剪通過(guò)變頻控制完成切頭、倍尺剪切、切尾以及事故碎斷等功能，冷床區(qū)用于將切后的倍尺鋼減速停止后通過(guò)升降運(yùn)動(dòng)運(yùn)送至冷床動(dòng)齒上，冷床動(dòng)齒接鋼后在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下完成周期運(yùn)動(dòng)，在其前行下降過(guò)程中將軋件放在靜齒上，如此往復(fù)實(shí)現(xiàn)將倍尺鋼依次排布在冷床靜齒上，并隨著動(dòng)齒周期性運(yùn)動(dòng)，整體向運(yùn)輸鏈方向行進(jìn)。倍尺剪、裙板及冷床間的緊密有序配合對(duì)軋線穩(wěn)定生產(chǎn)和成材率的提升起了至關(guān)重要的作用。

1 棒材生產(chǎn)線工藝概況

1.1 棒材生產(chǎn)工藝流程

棒材生產(chǎn)工藝流程為：加熱爐→開坯機(jī)→1 號(hào)停剪→粗軋機(jī)組→1 號(hào)飛剪→中軋機(jī)組→棒材減定徑機(jī)組→倍尺剪→冷床輸入輥道→冷床→倍尺冷卻運(yùn)輸收集→定尺鋸切→定尺冷卻運(yùn)輸收集→打包→稱重。各機(jī)組之間均設(shè)有飛剪用于切頭尾、事故時(shí)的碎斷。軋線上設(shè)有水冷裝置，用于實(shí)現(xiàn)控溫軋制和熱機(jī)軋制，滿足所有品種的要求。在減定徑機(jī)組出口設(shè)有測(cè)徑儀，對(duì)軋件進(jìn)行在線測(cè)徑。

1.2 工作原理

1.2.1 倍尺剪

倍尺剪采用啟停式飛剪，有回轉(zhuǎn)式和曲柄式兩種模式[1]，其中回轉(zhuǎn)式用于35 mm 及以下的規(guī)格棒材剪切，曲柄式用于35 mm 以上的規(guī)格剪切。剪刃運(yùn)行一周完成一倍尺剪切，整個(gè)周期由加速、勻速剪切、減速及制動(dòng)四個(gè)階段組成。當(dāng)系統(tǒng)接到倍尺剪切指令時(shí)，倍尺剪從零位啟動(dòng)加速運(yùn)行轉(zhuǎn)過(guò)85°達(dá)到設(shè)定剪切速度，同時(shí)保持勻速運(yùn)行195°，在這一階段完成倍尺剪切動(dòng)作，后按照剪切速度的25%開始減速運(yùn)行80°至零位制動(dòng)，同時(shí)投入反向轉(zhuǎn)矩來(lái)牽制剪刃制動(dòng)過(guò)程中的慣性，使其最終停在初始位上。

倍尺剪剪切命令主要是依靠編碼器對(duì)倍尺長(zhǎng)度的測(cè)算結(jié)果得來(lái)的。棒材工藝布置如圖1 所示，紅鋼頭部出了棒材減定徑機(jī)組，成品機(jī)架到達(dá)HMD2 這段行進(jìn)距離和時(shí)間已知，可以測(cè)算出脈沖當(dāng)量，即安裝于末機(jī)架端部的編碼器一個(gè)脈沖代表行進(jìn)距離，進(jìn)而可以得到設(shè)定倍尺長(zhǎng)度下所對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)N，當(dāng)軋件頭部通過(guò)倍尺剪時(shí)，編碼器開始記錄脈沖值，累計(jì)達(dá)到N 時(shí)，表示已有倍尺長(zhǎng)度的紅鋼通過(guò)倍尺剪，則系統(tǒng)觸發(fā)剪切命令，倍尺剪動(dòng)作，從而完成一個(gè)倍尺的剪切，同時(shí)編碼器計(jì)數(shù)清零，開始下一次倍尺脈沖累計(jì)。考慮到倍尺剪從啟動(dòng)到剪切位的動(dòng)作時(shí)間（約為0.2～0.4 s），系統(tǒng)中增設(shè)了超前系數(shù)，即脈沖數(shù)到達(dá)N前剪刃提前啟動(dòng)，剪刃運(yùn)轉(zhuǎn)到剪切位時(shí)正好到達(dá)倍尺長(zhǎng)度脈沖數(shù)，有效地消除了剪刃啟動(dòng)時(shí)間帶來(lái)的倍尺誤差。

圖1 棒材工藝布置圖

1.2.2 冷床區(qū)

冷床區(qū)由冷床輸入輥道和冷床兩部分組成。冷床輸入輥道的主要作用是負(fù)責(zé)把上游倍尺剪剪切后的棒材輸送至冷床上，分為輸入輥道和裙板輥道兩部分，輸入輥道位于倍尺剪下游，為了拉開剪切后棒材尾部與下一支棒材頭部的距離，輸入輥道的運(yùn)行速度會(huì)高于末機(jī)架速度，將剪切后的棒材提速運(yùn)行。冷床輸入輥道從入口至約1/3 長(zhǎng)度范圍內(nèi)輥道平面由0°逐漸傾斜至15°，后部2/3 輥道及裙板輥道均保持15°傾斜，從而確保剪切過(guò)的棒材能夠向冷床側(cè)傾斜，順利下滑至裙板上。為滿足裙板頻繁啟停、快速精準(zhǔn)的動(dòng)作特點(diǎn)，系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動(dòng)，在垂直方向上共有低位、中位和高位三個(gè)位置，每個(gè)位置裝有接近開關(guān)向PLC 反饋位置信號(hào)[2]。如圖2 所示，設(shè)計(jì)裙板和過(guò)渡板的接鋼表面與平面夾角為35°，便于棒材沿斜面下滑至冷床動(dòng)齒上。裙板的動(dòng)作周期為高→高位等待→低→低位等待→中→中位等待→高，高位為等待位，現(xiàn)場(chǎng)采用尾部對(duì)齊方式，當(dāng)棒材通過(guò)HMD3 時(shí)延遲一定時(shí)間（輸入輥道長(zhǎng)度/輸入輥道速度）后，裙板提前從高位下降至低位完成輥道內(nèi)接鋼動(dòng)作，裙板在下位接鋼等待時(shí)間tdwait是裙板控制的關(guān)鍵因素，計(jì)算公式為：tdwait=（L0-LΔ）/v-tumac-tuwait.式中：L0為HMD3 至倍尺剪的實(shí)際距離；LΔ為棒材尾部到達(dá)HMD3 時(shí)后滑行距離；v 為輸入輥道的運(yùn)行速度；tumac為裙板從低位運(yùn)行至高位的機(jī)械時(shí)間；tuwait為裙板在高位的等待時(shí)間。

圖2 裙板位置示意圖

下一倍尺頭部到達(dá)裙板輥道時(shí)快速起升至中位，防止其滑到裙板內(nèi)造成堆鋼。中位等待環(huán)節(jié)是一個(gè)制動(dòng)過(guò)程，該過(guò)程借助與裙板間的摩擦力，以穩(wěn)定滑行中的棒材，確保其在之后的高位拋鋼時(shí)處于靜止?fàn)顟B(tài)。最后，裙板升至高位與過(guò)渡板組成同一平面，棒材順傾斜面滑下至冷床。

冷床是連接軋制區(qū)和精軋區(qū)的過(guò)渡階段，其可靠穩(wěn)定地接收軋制區(qū)來(lái)料對(duì)生產(chǎn)安全和保證產(chǎn)品產(chǎn)量有著至關(guān)重要的作用。冷床控制的關(guān)鍵在于控制裙板高位上料和冷床前進(jìn)的時(shí)序配合。冷床的運(yùn)行周期必須小于冷床輸入輥道向冷床送鋼的周期，避免出現(xiàn)同一動(dòng)齒接兩個(gè)倍尺的現(xiàn)象。當(dāng)裙板到達(dá)高位延遲一段時(shí)間后，這個(gè)時(shí)間滿足棒材從裙板向冷床跌落的時(shí)間，冷床動(dòng)齒從低位啟動(dòng)，前循環(huán)動(dòng)作將接到的倍尺送至靜梁第一個(gè)齒，后回到初始低位，等待下一次移送操作。

2 棒材倍尺冷卻區(qū)常見問題分析及優(yōu)化方案

2.1 倍尺剪

由于軋件的長(zhǎng)度不會(huì)正好是倍尺或定尺的整數(shù)倍，且上游飛剪切頭尾實(shí)際長(zhǎng)度及原料尺寸會(huì)使每一支物料的尾尺長(zhǎng)度不盡相同，尾尺過(guò)短會(huì)卡在倍尺剪和冷床輸入輥道間，造成下支來(lái)料堆鋼事故，尾料過(guò)長(zhǎng)超過(guò)冷床長(zhǎng)度會(huì)造成成品彎曲、堆鋼事故，如果短尺與倍尺混合在一起又會(huì)給后續(xù)對(duì)齊鋸切工序帶來(lái)不便，需要進(jìn)行人工剔除，進(jìn)而影響軋制節(jié)奏，因此需要對(duì)倍尺進(jìn)行優(yōu)化。

我們采用全長(zhǎng)優(yōu)化剪切方式，當(dāng)軋件尾部過(guò)了粗軋機(jī)組3 架軋機(jī)H3 時(shí)，系統(tǒng)測(cè)算出從倍尺剪到H3架的剩余長(zhǎng)度L，以6 m 定尺、24 m 倍尺為例，L尾=L-「L/24」×24，L尾首先向倒數(shù)第一倍尺借一個(gè)定尺成為L(zhǎng)'尾'，如果滿足18＜L’尾'＜24，則完成優(yōu)化，如果不滿足則向倒數(shù)第二倍尺再借用一個(gè)定尺，以此類推，直到尾尺長(zhǎng)度滿足18＜L'尾'＜24。通過(guò)全長(zhǎng)倍尺優(yōu)化的方法有效提升了軋制效率，避免了短料的浪費(fèi)，使成材率由98.1%提升至98.5%。

2.2 冷床區(qū)

裙板有6 組液壓閥臺(tái)、共12 個(gè)電磁閥驅(qū)動(dòng)油缸動(dòng)作。油缸動(dòng)作的一致性在快節(jié)奏的生產(chǎn)中顯得尤為重要。在生產(chǎn)過(guò)程中，曾多次出現(xiàn)裙板下降不到位或者上升不到位的現(xiàn)象，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查設(shè)備動(dòng)作正常，然而繼續(xù)生產(chǎn)仍有動(dòng)作不到位的情況。最終多次測(cè)試后發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)個(gè)別電磁閥不得電，造成單個(gè)油缸不動(dòng)作，最終導(dǎo)致裙板動(dòng)作不到位。經(jīng)過(guò)排查確定是某個(gè)PLC 繼電器出現(xiàn)了功能失效，更換后恢復(fù)正常。繼電器采用的是菲尼克斯2961341，該繼電器自身穩(wěn)定性有一定的保障。但由于裙板動(dòng)作次數(shù)多，每天能達(dá)到幾萬(wàn)次，繼電器失效后憑借外觀并不能直接作出判定，因此故障排查起來(lái)比較困難。為了解決這一問題，研究了多種方案，最終制定了以下措施：增加繼電器動(dòng)作次數(shù)記錄功能，待動(dòng)作次數(shù)到達(dá)繼電器的出廠測(cè)試試驗(yàn)次數(shù)后，進(jìn)行更換；在各個(gè)電磁閥的通道內(nèi)增加電流表，并將電流信號(hào)采集到模板，由PDA 實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以快速判斷出有問題的繼電器或通道。這一改進(jìn)措施避免了裙板動(dòng)作不到位的現(xiàn)象，有效提升了設(shè)備功能精度。

3 結(jié)論

1）倍尺剪和冷床區(qū)是棒材熱軋后續(xù)冷卻工藝的關(guān)鍵設(shè)備，設(shè)備間緊密有序配合對(duì)軋線穩(wěn)定生產(chǎn)有著至關(guān)重要的作用。

2）采用全長(zhǎng)倍尺優(yōu)化的方法，有效提升了軋制效率，避免了短料的浪費(fèi)，使軋件成材率由98.1%提升至98.5%。

3）針對(duì)繼電器故障排查困難的問題，采取相關(guān)措施：增加繼電器動(dòng)作次數(shù)記錄功能，待動(dòng)作次數(shù)到達(dá)繼電器的出廠測(cè)試試驗(yàn)次數(shù)后，進(jìn)行更換；在各個(gè)電磁閥的通道內(nèi)增加電流表，并將電流信號(hào)采集到模板，由PDA 實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以快速判斷出有問題的繼電器或通道。這一改進(jìn)措施避免了裙板動(dòng)作不到位的現(xiàn)象，有效提升了設(shè)備功能精度。